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第二章 细胞生物学基础 第二章第二章 细胞生物学基础细胞生物学基础 前言:细胞与细胞生物学前言:细胞与细胞生物学 第一节:细胞的类型、结构和功能第一节:细胞的类型、结构和功能 1、细胞的类型 2、细胞的结构 3、各亚细胞结构的结构与功能 第二节第二节: : 细胞的胞外基质、细胞与细胞间的联系细胞的胞外基质、细胞与细胞间的联系 1、细胞的胞外基质 2、细胞间连接 3、细胞信号转导 第三节第三节: : 细胞的生活史细胞的生活史 1、细胞分裂与分化 2、细胞衰老 3、细胞的凋亡 4、细胞的癌变 前言:细胞与细胞生物学前言:细胞与细胞生物学 如何学好细胞生物学? 细胞生物学的三条主线: n1)组成、结构与功能。 n2)物质代谢:同化与异化。 n3)信息传递。 前言:细胞与细胞生物学前言:细胞与细胞生物学 细胞是:生物形态结构和功能的基本单位。细胞是:生物形态结构和功能的基本单位。 1 1:构成有机体的基本单位,具有自我复制的能力:构成有机体的基本单位,具有自我复制的能力 ,是有机体生长发育的基础;,是有机体生长发育的基础; 2: 2: 代谢与功能的基本单位,具有完整的代谢和调代谢与功能的基本单位,具有完整的代谢和调 节体系,不同的细胞执行不同的功能;节体系,不同的细胞执行不同的功能; 3: 3: 遗传的基本单位,具有发育的全能性。遗传的基本单位,具有发育的全能性。 细胞生物学是: 研究细胞的结构、功能和生活史的学科。 分三个层次: n1)显微水平,光学显微镜下可见的结构。 n2)超微水平,电子显微镜下可见的结构。 n3)分子水平,细胞结构的分子组成,及其在 生命活动中的作用。 前言:细胞与细胞生物学前言:细胞与细胞生物学 第一节:细胞的类型、结构和功能第一节:细胞的类型、结构和功能 1 1、细胞的类型、细胞的类型 2 2、细胞的结构、细胞的结构 3 3、各亚细胞结构的结构与功能、各亚细胞结构的结构与功能 1 1、细胞的类型、细胞的类型 一、生物的分类 具备细胞结构的生物分类: 不具备细胞结构的生物还有:病毒,朊病毒。 n真核细胞eukaryotic cell:具有核被膜nuclear envelope和核仁nucleolus。 n原核细胞prokaryotic cell:核区nuclear region没有核膜,称其为拟核。 二、细胞的种类二分法 三、细胞的形状和大小 n细胞骨架对于细胞形态的构建维持具有重要作用。 n单细胞生物的形态通常与细胞外沉积物有关。 n高等生物细胞的形状与细胞功能及细胞间的相互作用有关。 n高等动物的细胞离开有机体分散存在时,形状往往发生变化。 如平滑肌细胞在体内呈梭形,而在离体培养时则可成多角形。 n动植物细胞在2030m间;一般细菌细胞在0.55m;支 原体和衣原体,在0.20.3m ; 大肠杆菌淋病球菌 肉毒梭菌弧形霍乱菌 草 履 虫 眼 虫 钟形虫 植物气孔细胞 木材中的导管 人类红细胞巨噬细胞 神经元细胞 人类卵细胞与精子细胞 2 2、细胞的结构、细胞的结构 从形态学分为三部分: n质膜(plasma membrane)。 n细胞核(nucleus):具有核被膜和核仁。核仁是形 成核糖体的结构域(domain),呈小球状 。 n细胞质(cytoplasm):包括细胞器和细胞质基质( cytoplasmic matrix)/胞质溶胶(cytosol)。 一、真核细胞的结构 n细胞器(organelle):细胞内特定的功能结构域, 有两类,一类是膜围成的,构成内膜系统。另一类 细胞器是没有膜包围的。 n主要细胞器有:内质网、 高尔基体、溶酶体 、内涵体、线粒体、叶绿体、过氧化物酶 体、细胞骨架、中心粒、 核糖体。 二、真核细胞的细胞器 三、动植物细胞的结构 四、原核细胞的结构 n原核细胞没有核膜,DNA为裸露的环状分子,通 常没有结合蛋白。没有恒定的内膜系统,核糖体 为70S型,通常称为细菌(bacterium)。 五、原核细胞的结构 4 4、细胞壁:主要成分是肽聚糖、细胞壁:主要成分是肽聚糖 1 1、拟核:、拟核:DNADNA分子裸露分子裸露 2 2、核糖体:沉降系数,对抗生、核糖体:沉降系数,对抗生 素的敏感性素的敏感性 4 4、质粒、质粒(plasmid) (plasmid) :核区外裸露:核区外裸露 的环状的环状DNADNA 5 5、荚膜、鞭毛与菌毛、荚膜、鞭毛与菌毛 -与真核细胞的区别与真核细胞的区别 3 3、各亚细胞结构的结构与功能、各亚细胞结构的结构与功能 (1)、质膜的流动镶嵌模型: 1 1、细胞膜由流动的双脂层和、细胞膜由流动的双脂层和 嵌在其中的蛋白质组成。嵌在其中的蛋白质组成。 2 2、磷脂分子以疏水性尾部相、磷脂分子以疏水性尾部相 对,极性头部朝向水相组对,极性头部朝向水相组 成生物膜骨架成生物膜骨架 3 3、蛋白质分布的不对称性。、蛋白质分布的不对称性。 integral protein; peripheral protein; lipid-anchored protein ; 一、质膜一、质膜 1.保护细胞; 2.介导细胞连接; 3.物质运输; 4.信息传导; 一、质膜一、质膜 (2 2)、质膜的功能:)、质膜的功能: 二、 内质网 1 1、RERRER:呈扁平囊状,排列整齐,:呈扁平囊状,排列整齐, 有核糖体附着。有核糖体附着。 2 2、SERSER:呈分支管状或小泡状,无:呈分支管状或小泡状,无 核糖体附着。核糖体附着。 3 3、细胞不含纯粹的、细胞不含纯粹的RERRER或或SERSER,它,它 们分别是们分别是ERER连续结构的一部分。连续结构的一部分。 (1)、内质网的结构 (2)、内质网的功能 1、粗糙型内质网:主要与蛋白质合成和初步修饰、加工(如蛋 白质糖基化等)和转运及与膜之生成有关; 2、光滑型内质网:主要与糖原分解、脂类(包括磷脂和类固醇等) 合成、细胞解毒作用及参与横纹肌收缩活动等有关。 二、 内质网 三、高尔基体 1 1、由扁平囊泡堆积而成,、由扁平囊泡堆积而成, 有极性。有极性。 2 2、分布于内质网与细胞膜、分布于内质网与细胞膜 间,间, 呈弓形或半球形。呈弓形或半球形。 3 3、凸出的一面对着、凸出的一面对着ERER称称 为顺面(为顺面(ciscis face face),), 凹进的一面对着质膜凹进的一面对着质膜 称为反面(称为反面(trans facetrans face) (1)、高尔基体的结构 (2)、高尔基体的主要功能 主要功能将内质网合成的蛋白质进行加工、分类与包装,然 后分门别类地送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。比如:1 、蛋白质的糖基化,2、将蛋白水解为活性物质,3、进行膜的 转化功能,4、参与形成溶酶体,5、植物细胞壁的形成等。 三、高尔基体 四、 溶酶体 1 1、由高尔基体分泌形成。、由高尔基体分泌形成。 2 2、含有、含有6060多种能够多种能够水解水解多糖多糖, 磷脂磷脂,核酸核酸和和蛋白质蛋白质的酸的酸 性酶,其中,以酸性磷酸性酶,其中,以酸性磷酸 酶是标志酶。酶是标志酶。 (1)、溶酶体的结构 (2)、溶酶体的功能: 1.细胞内消化:如从低密度脂蛋白(LDL)释放胆固醇,单细 胞真核生物籍其消化食物。 2.自体吞噬:清除无用生物大分子,衰老细胞、细胞器、个 体发育中多余的细胞。 3.防御作用:如巨噬细胞。 4.参与分泌过程的调节:如将甲状腺球蛋白降解成有活性的 甲状腺素。 5.形成精子的顶体:使精子能够穿透卵母细胞膜, 进入卵母细胞。 四、 溶酶体 五、过氧化物酶体 1、不是来自内质网和高尔基体。 2、具有异质性的细胞器,在不同 生物及不同发育阶段有所不同。 3、共含有40多种氧化酶,其中以 过氧化氢酶为标志酶。 (1 1)、过氧化物酶体的结构)、过氧化物酶体的结构 1.在动物中: 参与脂肪酸的-氧化; 具有解毒 作用,过氧化氢酶氧化有害物质,饮入的酒精1/4 是在微体中氧化为乙醛。 2.在植物中:参与光呼吸,将光合作用的副产物 乙醇酸氧化为乙醛酸和过氧化氢,在萌发的种 子中,进行脂肪的-氧化。 (2 2)、过氧化物酶体的功能)、过氧化物酶体的功能 五、过氧化物酶体 六、线粒体 1、粒状或杆状,分为外膜、内 膜、膜间隙和基质四部分。 2、外膜标志酶为单胺氧化酶;内 膜标志酶为细胞色素C氧化酶 3、基质中含环形DNA,及一套完 整的转录和翻译体系。具有半 自主性。 (1)、线粒体的结构 细胞“动力工厂”,动物细胞80%的ATP来源于线粒体。 通过三羧酸循环降解和脂肪酸氧化途径产能 (1)、线粒体的功能 六、线粒体 七、 叶绿体 1、由外被、类囊 体和基质3部 分组成。 2、外膜、内膜、 类囊体膜 3、膜间隙、基质 和类囊体腔。 4、为半自主性细 胞器。 (1)、叶绿体的结构: 1光合色素2集光复合体 3光系统 :P680 4细胞色素b6/f复合体 5光系统:P700 GlucoseGlucoseATPATP光能光能 光反应光反应 暗反应暗反应 七、 叶绿体 -光合作用光合作用(2 2)、叶绿体的作用:)、叶绿体的作用: n成分:微丝、微管、中间纤维。单体非共价结合,构成纤 维型多聚体。 n微丝确定细胞表面特征,使细胞能够运动和收缩。 n微管确定膜性细胞器的位置和作为运输导轨。 n中间纤维使细胞具有张力和抗剪切力。 n其它骨架:核骨架、核纤层、膜骨架、细胞外基质。 八、细胞骨架八、细胞骨架 Nucleus structure 结构:核被膜、核仁、 核基质、染色质、核 纤层、核孔。 功能:遗传、发育。 九、细胞核九、细胞核 1 1、染色体、染色体 -染色体的结构染色体的结构 初隘痕 次隘痕 染色体的结构单位 -核小体 -异染色质和常染色质 n常染色质:处于伸展状态,是具有转录活性的染 色质。 n异染色质:凝缩状态,无转录活性、是遗传惰性 区。 n分为两类: 结构异染色质:着丝粒区、端粒区 功能异染色质:一定发育阶段凝集 1 1、染色体、染色体 2、核仁 n在细胞间期可见,细胞核内呈圆球形的结构 n功能是转录rRNA和组装核糖体亚单位。-核糖体工厂 n核仁在细胞内的存在是动态的:蛋白合成旺盛和分裂增 殖较快的细胞有较大和较多的核仁,反之核仁很小或缺 失;在细胞分裂前期消失,末期又重新出现。 3、核糖体 细胞内蛋白质合成的场所-蛋白质工场 第二节,细胞的胞外基质、第二节,细胞的胞外基质、 细胞与细胞间的联系细胞与细胞间的联系 1 1、细胞的胞外基质细胞的胞外基质 2 2、细胞间连接、细胞间连接 3 3、细胞信号转导、细胞信号转导 1 1、细胞的胞外基质、细胞的胞外基质 胶原蛋白 Collagen 纤粘连蛋白 Fibronectin 层粘连蛋白 laminin 蛋白聚糖 Proteoglycan 弹性蛋白 elastin 细胞的胞外基质细胞的胞外基质 (1 1)、主要成分是蛋白质和多糖)、主要成分是蛋白质和多糖 n1、决定细胞的形状: 细胞骨架组装 细胞形状。 n2、影响细胞的存活与增值:如上皮细胞脱离胞外基质则 发生失巢凋亡(anoikis),称定着依赖性。 n3、控制细胞的分化:如,成肌细胞在纤粘连蛋白上与在层 粘连蛋白上的表型不一样。 n4、参与细胞的迁移:细胞的迁移依赖于细胞的粘附与细胞 骨架的组装。 (2 2)、细胞外基质的生物学作用:)、细胞外基质的生物学作用: 细胞的胞外基质细胞的胞外基质 2 2、细胞间连接、细胞间连接 一、细胞连接方式一、细胞连接方式 n n 是相邻细胞之间通过细胞膜相互联系、协同作用的重要组织方式是相邻细胞之间通过细胞膜相互联系、协同作用的重要组织方式 。 紧密(封闭)连接 粘着(锚定)连接粘着(锚定)连接间隙(通讯)连接间隙(通讯)连接 二、各类连接 3 3、细胞信号转导、细胞信号转导 signalcell change 增殖 分化 代谢 功能 应激 凋亡 一、细胞信号转导一、细胞信号转导 or or lostdisease 第一信使 膜受体 转导分子 第二信使 核受体 二、细胞信号转导基本过程二、细胞信号转导基本过程 n第一信使:细胞外小分子信息物质,将信息传递给“第二 信使”,进而调节细胞的生理活动和新陈代谢。水溶性信 号分子,诸如激素、神经递质、细胞因子及生长因子等 。 n第二信使:将作用于细胞膜的信息传递到细胞内,使之 产生生理效应的细胞内信使,如cAMP、cGMP、IP3、 Ca2+。 三、细胞信号分子三、细胞信号分子 四、受体(receptor) n能够识别和选择性结合某种配体(信号分子),多为糖蛋 白,分子上具有配体结合区域和产生效应的区域。 n特点:特异性;饱和性;高度的亲和力。 n类别:细胞内受体和细胞表面受体。 G蛋白介导 酪氨酸蛋白激酶介导 鸟苷酸环化酶介导 核受体介导 五、细胞信号转导的主要途径五、细胞信号转导的主要途径 蛋白激酶蛋白激酶/蛋白酶第二信使蛋白激酶/蛋白酶 第三节,细胞的生活史第三节,细胞的生活史 1、细胞分裂与分化 2、细胞衰老 3、细胞的凋亡 4、细胞的癌变 1 1、细胞分裂与分化、细胞分裂与分化 一、什么是细胞周期 n细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经 历的过程。分为: G1期(gap1),分裂完成到DNA复制之前。 S期(synthesis phase),DNA复制阶段。 G2期(gap2),DNA复制完成到分裂之前。 M期,又称D期,分裂开始到结束。 二、细胞分化的特点 n1. 时空性:细胞分化的实质是在细胞质和细胞核共同作用下 ,选择性地表达特定的基因,称为差别基因表达。 n2.定向性:随着细胞的分裂和分化,发育方向逐渐被限定。 n3. 稳定性:动物细胞发生分化之后,其遗传表型保持稳定, 通常是不可逆的。 n4. 条件可逆性:在特定条件下,分化细胞的基因活动模式可 发生可逆的变化,又回到未分化状态,称为去分化。 n5. 普遍性:个体一生中都进行着细胞分化。干细胞是细胞更 新和组织修复的基础。 三、细胞分化和增殖的关系 n增殖信号和分化信号同时作用于干细胞,表现为边分化边增 殖; n增殖和分化分别独立进行,一些干细胞只增殖不分化,另一 些同类干细胞进入终末分化; n细胞分化与分裂平行进行,干细胞进行不对称分裂,产生的 子细胞一个保持原有干细胞特性,一个则进入终末分化。 2 2、细胞衰老、细胞衰老 一、细胞衰老 Aging ,Senescence,指细胞随着年龄增加,机 能和结构退行性变化,趋向死亡的不可逆现象。 衰老是生命的普遍现象,发生在生态系统、群落 、种群、个体、细胞以及分子等不同层次。 1、代谢废物积累:如:脑细胞内的-淀粉样蛋白的积累导致 老年性痴呆(AD)。 2、线粒体DNA突变:线粒体自由基浓度高,mtDNA是裸露分子, 容易发生突变。 3、自由基的作用:引起DNA、蛋白质、脂类氧化、变性和交联。 4、程序性衰老:生物的生长、发育、衰老和死亡都由基因程序 控制的,衰老是某些基因依次开启或关闭的结果。 5、复制性衰老:细胞的增殖次数是有限的,DNA每复制一次端粒 就缩短一段,到一定程度,染色体变不稳定,启动 细胞凋亡。 二、细胞衰老的原因二、细胞衰老的原因 A 37 years old patient, Adoue DFP 1997 三、不正常的衰老 成 年 性 早 衰 症 衰老基因过于活跃表达 儿 童 性 早 衰 症 三、不正常的衰老 3、细胞的凋亡 一、细胞死亡的方式 细胞死亡并非与机体死亡同步。正常的组织中也发生细胞 死亡,它是维持组织机能和形态所必需的。 1、细胞被动死亡 :也就是细胞坏死,细胞受到环境因素 伤害,引起细胞死亡的现象。 2、细胞主动死亡:细胞凋亡(apposis)或程序化细胞死亡 (programmed cell death,PCD),是指机体为调控机体发 育,维护内环境稳定,由基因控制的细胞主动性死亡过程。 二、细胞凋亡与程序性死亡 1 1、PCDPCD是功能性概念,凋亡是形态学概念是功能性概念,凋亡是形态学概念 2 2、细胞程序性死亡(、细胞程序性死亡(PCDPCD)是一种基因指导的细胞)是一种基因指导的细胞 自我消亡方式。自我消亡方式。 3 3、细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体,导致细、细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体,导致细 胞自发性死亡胞自发性死亡 ; 4 4、PCDPCD的最终结果是凋亡,但凋亡并非都是程序化的。的最终结果是凋亡,但凋亡并非都是程序化的。 三、细胞凋亡的意义 1. 生长发育:组织与器官的塑造 。 2. 防御:清除衰老细胞、DNA损伤的细胞、和被 病原体感染的细胞。 (1)细胞凋亡不足 -肿瘤,自身免疫疾病; (2)细胞凋亡过度 -神经退行性疾病(AD,帕金森症)、心肌梗塞、 再生障碍性贫血、骨组织坏死。 4、细胞的癌变 n肿瘤是细胞在基因水平上失去对生长的调控,导 致异常增生。 n良性肿瘤:生长缓慢,边界明显。 n恶性肿瘤:即癌症,生长快、具有迁移性。 一、细胞的癌变 细胞分裂细胞分裂细胞分化细胞分化细胞衰老细胞衰老细胞凋亡细胞凋亡 维持细胞维持细胞 正常分裂正常分裂 促进细胞完成正常的生命周期促进细胞完成正常的生命周期 正调控细正调控细 胞分裂胞分裂 负调控细胞分裂负调控细胞分裂 原癌基因原癌基因 抑癌基因抑癌基因 (显性)(显性) (隐性)(隐性) 二、原癌基因与抑癌基因二、原癌基因与抑癌基因 三、 肿瘤形成的内因 恶性肿瘤的形成涉及多个基因的改变。恶性肿瘤的形成涉及多个基因的改变。 一、原癌基因的异常激活一、原癌基因的异常激活 原癌基因的结构或调控区发生变异,产物活性增强原癌基因的结构或调控区发生变异,产物活性增强 或增多时,使细胞过度增殖,形成肿瘤。或增多时,使细胞过度增殖,形成肿瘤。 二、抑癌基因的失活二、抑癌基因的失活 通常是一对等位基因均告缺失或都因突变而失去活通常是一对等位基因均告缺失或都因突变而失去活 性时,细胞发生癌变。性时,细胞发生癌变。 1 1、原癌基因产物:、原癌基因产物: 、生长因子 、生长因子受体 、信号转导组分 、细胞周期蛋白 、细胞凋亡调节蛋白 、转录因子 2、抑癌基因的产物主要包括: 、转录调节因子 、负调控转录

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